1.3 Alternateur autonome
1.3.2 Diagramme de Blondel
1.3.2.1 Diagramme de Blondel
On suppose que le réseau est à tensionV et fréquence constante. Pour étu-dier l’influence du couple et du courant d’excitation de la machine synchrone on utilise le diagramme de Behn-Eschenburg dans lequel le vecteurV est inva-riant. Pour simplifier l’étude, on négligera les pertes Joule :R I¿LωI.
FIGURE1.38 – Diagramme de Blondel de la machine synchrone.
Au paragraphe1.2.2.3, nous avons vu queH M est proportionnel à la puis-sance électrique fournie (P 'Pe) et au couple électromagnétiqueCe, siV est constant.
On a de même :OH=LωI·sinϕ=Lω·3VQ .
OHetH Mmesurent les puissances active et réactive fournie au réseau : on peut donc lire directement ces puissances en mesurant les projections deOM sur deux axes orthogonaux gradués en puissances actives et réactives avec :
P=3VLω×H M=CeΩS
Q=3VLω×OM
On lit directement l’angleϕ:ϕ=(OP;OM). EnfinOMest proportionnel au courantI.
SiPest positive, le fonctionnement est alternateur, siPest négative, le fonc-tionnement est moteur.
On peut limiter ce diagramme à sa portion utile :
— la f.é.m. est limitée, par la saturation, à une valeurEm: cercle centré en A et de rayonEm;
— le courant débité doit être inférieur ou égal à sa valeur nominaleIn: cercle centré en O et de rayonLωIn;
— l’angleθdoit être inférieur à 90°. Pour conserver une marge de sécurité et éviter le décrochage, on fixe en général une limite inférieur :|θ| <θm. REMARQUES:
— Dans ce diagramme, on supposeLωconstant ;
— si l’on tient compte deR, le diagramme de Blondel est plus compliqué mais obéit aux mêmes principes.
1.3.2.2 Utilisation du diagramme
Le diagramme comprend quatre quadrants. Lorsque le vecteur j Lω−→ I se si-tue au-dessus du vecteur→−
V, la machine fonctionne en alternateur comme le montre les figures1.40et1.41. Lorsque le vecteur j Lω−→
I se situe en-dessous du vecteur j Lω−→
I, la machine fonctionne en moteur comme le montre les fi-gures1.42,1.43et1.44. La puissance change bien évidemment de signe lorsque la machine passe d’alternateur à moteur ou inversement, il en résulte que la projection du vecteurj Lω→−
I sur la verticale, donnant un segment de longueur proportionnel à la puissance active, change de signe elle aussi.
FIGURE1.39 – Diagramme de Blondel de la machine synchrone, diverses limi-tations.
Selon la valeur de l’excitation, on peut avoir un alternateur qui fournit de la puissance réactive ou qui en absorbe ainsi qu’un moteur synchrone qui ab-sorbe ou produit de la puissance réactive.
REMARQUE: La machine synchrone est la seule machine que l’on sache faire fonctionner en moteur à cosϕ=1.
Nous avons déjà vu l’influence du couple appliqué à la machine synchrone.
Il reste à étudier l’influence deIe.
Supposons que l’on applique, après le couplage, un couple mécanique mo-teur : la machine synchrone oppose, à l’équilibre, un coupleCe et fournit au
FIGURE1.40 – Diagramme de Blondel de la machine synchrone fonctionnant en alternateur sur-excité fournissant à la fois de la puissance active et de la puissance réactive au réseau.
FIGURE1.41 – Diagramme de Blondel de la machine synchrone fonctionnant en alternateur sous-excité fournissant la puissance active et de la puissance au réseau et absorbant de la puissance réactive sur ce même réseau.
réseau une puissance activeP. Le pointM vient enM1, d’ordonnéeP.
Si on fait varierIe,E varie. Si le couple appliqué reste constant, le pointM se déplace sur la droite d’ordonnéeP.
Si Ie augmente, E croit, le point se déplace vers la droite. On obtient par exemple M2 : pour ce point, l’alternateur fournit de la puissance réactive au réseau.
Si Ie diminue, le point vient par exemple enM3: l’alternateur fournit
tou-FIGURE1.42 – Diagramme de Blondel de la machine synchrone fonctionnant en moteur sur-excité absorbant de la puissance active sur le réseau tout en lui fournissant de la puissance réactive.
FIGURE1.43 – Diagramme de Blondel de la machine synchrone à l’excitation
« normale » fonctionnant en moteur n’absorbant que de la puissance active sur le réseau.
joursP mais absorbe cette fois de la puissance réactive.
— le couple appliqué détermine la puissance active échangée;
— le courant d’excitation détermine la puissance réactive échangée.
On voit aussi que le courant d’excitation permet de régler la valeur du dé-phasageϕ.
Du diagramme précédent on déduit aussi le courantIfourni, proportionnel àOM. On voit que siIeest faible (casM3),OM3et doncIest élevé.
Si Ie est élevé (casM2), le courant est à nouveau élevé. Le courant I passe par un minimum lorsqueOMest porté par l’axeOP (ϕ=0 ;Q=0).
On peut représenterI en fonction deIeà puissancePconstante. on obtient
FIGURE1.44 – Diagramme de Blondel de la machine synchrone fonctionnant en moteur sous-excité absorbant à la fois de la puissance active et de la puis-sance réactive sur le réseau.
FIGURE1.45 – Diagramme de Blondel : déplacement du point de fonctionne-ment sur une droite d’équipuissance.
un réseau de courbes en V, ce sont les courbes de Mordey de la figure1.46. Ces courbes sont en particulier limitées par la saturation et par les risques de décro-chage. Ces caractéristiques illustrent le comportement d’un alternateur couplé sur un réseau beaucoup plus puissant que lui et entraîné par un diesel ou une turbine à puissance constante. Le réseau lui impose la tension et la fréquence.
Chaque valeur du débit de fluide, eau ou vapeur pour une turbine, ou du « cran de pétrole » pour un diesel correspond à une valeur de la puissance absorbée et donc de la puissance utile. Si, à débit ou cran de pétrole constant, on modifie l’intensité du courant d’excitationIe, on ne change pas la puissance active qui ne dépend que de la turbine ou du diesel, mais on change la puissance réactive échangée entre l’alternateur et le réseau.
On peut relever directement ces courbes ou les prédéterminer en écrivant : Pu=3V Icosϕ=cte.
FIGURE1.46 – Courbe de Mordey.
Pour le moteur synchrone, on obtient le même réseau de courbes :le mo-teur synchrone présente un facmo-teur de puissance réglable : sous-excité (Ie faible), il absorbe de la puissance réactive ; sur-excité, il fournit de la puissance réactive.
C’est la seule machine électrique dont le facteur de puissance est réglable lorsqu’elle fonctionne en récepteur.
REMARQUES: Dans le fonctionnement à puissance active nulle (couple mé-canique nul), la machine synchrone ne peut qu’échanger de la puissance ré-active avec le réseau : sous-excitée, elle en absorbe et se comporte comme une inductance réglable ; sur-excitée, elle en fournit et se comporte comme un condensateur réglable. Dans ce cas elle peut servir à relever le facteur de puis-sance d’une installation (compensateur synchrone).